(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210796995.1 (22)申请日 2022.07.06 (71)申请人 江麓机电集团有限公司 地址 411100 湖南省湘潭市雨湖区解 放北 路四号 (72)发明人 刘克　陈建文　袁伍丰　左经纬　 范远博　王鑫铭　何洪　 (74)专利代理 机构 成都弘毅天承知识产权代理 有限公司 5123 0 专利代理师 丁存伟 (51)Int.Cl. G01B 11/16(2006.01) G01N 23/083(2018.01) G01N 25/16(2006.01) G01N 21/84(2006.01)G01N 3/42(2006.01) C23C 8/00(2006.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参 数的方法 (57)摘要 本发明公开了一种测定齿轮钢渗层马氏体 相变动力学参数的方法， 涉及钢铁行业热处理， 解决钢渗碳淬火工件预测准确性和精度欠缺的 问题， 包括熔炼试样， 采用热模拟实验机测定试 样在不同冷速下膨胀量 ‑温度曲线， 并进行组织 含量检测， 确定马氏体转变临界冷速， 绘制连续 冷却过程的CCT曲线； 计算获得5组不同含碳量试 样的奥氏体热膨胀系数、 马氏体热膨胀系数、 相 变膨胀系数、 Ms点和动力学方程系数α； 基于实 验结果对Ms点随含碳量和冷却的变化进行拟合， 获得马氏体转变温度随含碳量和冷却的变化关 系； 将获得的相变动力学参数进行齿轮零件的渗 碳淬火模拟； 本发明提升了钢渗碳淬火模拟计算 的准确性和精度， 从而指导齿轮零件 热处理变形 控制。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 115200492 A 2022.10.18 CN 115200492 A 1.一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 采用真空电弧炉熔炼与齿轮钢其它元素含量相同， 碳含量分别为0.2％、 0.4％、 0.6％、 0.8％、 1.0％的5组试样， 将熔炼后的材料制成圆棒试样， 并在一端加工出圆形槽， 便 于夹具夹持； S2、 用夹具夹住试样， 并将热电偶焊接在 试样中间， 把试样放入Gleeble  3500热模拟实 验机内， 将膨胀仪卡住标准试样中心的加热部位， 测量均温区径向变形量， 设置加热温度并 经奥氏体化后以不同的冷速冷却， 仪器将自动记录不同冷速下的温度、 膨胀量数据， 得到温 度‑膨胀量曲线； S3、 将膨胀曲线 处理成温度 ‑膨胀率曲线， 采用切线法确定5组试样的Ms点， 奥氏体膨胀 系数αA、 马氏体热膨胀系数αM、 相膨胀系数 ； S4、 采用X射线衍射法对热膨胀试样马氏体和奥氏体含量进行测定， 根据K ‑M模型， 获得 马氏体转变动力学系数α； S5、 测定步骤S2中试样中间位置维氏硬度， 并采用金相显微镜观察组织形貌， 结合步骤 S2中Ms点确定马氏体临界冷速， 并绘制C CT曲线； S6、 将步骤S3中计算的Ms点和马氏体相变动力学参数α 分别在坐标轴中进行描点， 以碳 含量为横坐标， M s和α 分别为 纵坐标， 分别使用线性拟合出齿轮钢渗层马氏体相变温度与含 碳量和冷速之间的关系； S7、 建立材料模型， 将步骤S3得到马氏体相变动力学参数和CCT曲线及材料的杨氏模 量、 泊松比和密度参数作为材料模型参数， 并建立齿轮有限元模型， 模拟渗碳淬火过程齿轮 的碳浓度、 组织、 变形分布； S8、 测量齿轮 变形并取样检测， 包括硬度、 组织含量。 2.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 步骤S1所述真空电弧炉熔炼的具体步骤包括： 真空熔炼前对熔料清洁去污， 清洗坩埚 和两极后干燥， 通入冷却水， 打开机械泵 预热后抽至低真空度； 打开分子阀， 分级多次抽气， 随后通入氩气 洗气3次； 熔炼过程， 摇动手轮控制电极， 启动高频电源进 行引弧操作， 利用电 弧熔炼熔 料。 3.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 在步骤S1 中， 每组不同碳含量下的试样准备8个， 分别在Gleeble3500热模拟实验机上 加热温度到Ac 3/Ac1以上5 0℃， 加热速度1℃/s， 保温时间6 00s， 保证充分奥氏体化。 4.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 在步骤S2中， 奥氏体化后以17.2℃/s、 8.6℃/s、 4.3℃/s、 1.72℃/s、 0.86℃/s、 0.28 ℃/s、 0.14℃/s、 0.0 6℃/s进行冷却， 同时记录试样中心 径向膨胀量 ‑温度曲线。 5.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 将步骤S2测 完的试样进行镶嵌、 打磨、 抛光， 并采用4％的硝酸酒精溶液腐蚀， 在金相 显微镜下观 察组织形貌， 并在维氏硬度计上进 行硬度表征； 在步骤S 3中， 在膨胀曲线 上以双 切线法作出交点确定Ms点； 作出与膨胀曲线上端的切线， 由上式知即为奥氏体热膨胀系数 αA； 作出膨胀曲线下端切线， 即为马氏体热膨胀系数αM， 此时切线与纵轴的交点可认为0℃时 马氏体完全转变， 即奥氏体转变为马氏体引起的体积 变化率， 截距即为0℃的马氏体相膨胀权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115200492 A 2系数 由此得到任一温度T下奥氏体转变成马氏体相膨胀系数 在步骤S3中， 结合步骤S2绘制0.2％C、 0.4 ％C、 0.6％C、 0.8％C、 1.0％C含碳量试样的连 续冷却过程C CT曲线。 6.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 在步骤S4中， 测定马氏体和奥氏体含量的方法为， 将5组共40个试样取样切割， 打磨， 抛光后采用XRD对 试样进行物相鉴定， 并通过J ade 9.0提取衍射线强度， 对马氏体和奥氏体 含量进行计算。 7.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 步骤7 所述建立材 料模型， 具体步骤如下： S71、 使用有限元模拟软件建立渗碳淬火过程的齿轮模型和材料模型， 并对建立的材料 模型定义马氏体和奥氏体的泊松比、 热膨胀系数、 相膨胀系数、 杨氏模量、 密度， 奥氏体化温 度及Ms点和α， 并以步骤S1中获得冷却过程的膨胀曲线的数据定义材料热应变、 相变应变和 相变过程的组织和应 变行为， 并定义材 料为各向同性的几何材 料； S72、 采用前处理软件对齿轮进行网格划分， 将几何模型转化成有限元模型， 并将网格 导入仿真模拟软件中建立边界条件， 将齿轮平放， 在齿轮的底面作为受力面， 同时垂直于地 面加载重力， 同时定义工况为93 0℃渗碳、 800℃淬火； S73、 结合S71的材料模型和 S72的有限元模型进行仿真分析， 得到碳含量、 组织分布、 变 形分布云图， 使用测量工具对齿轮的特征部位进行测量， 并计算出椭圆度、 锥度、 缩涨的变 形数据。 8.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 步骤8所述测量齿轮变形采用三维坐标扫描、 数显游标卡尺， 硬度测试采用维氏硬度 计， 组织含量测定采用XRD射线衍 射分析， 结合Jade 软件计算。 9.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 步骤 7所述建立材料模 型， 基于Thermal  Prophet热处理专业软件， 所用热物 性参数以 温度‑碳含量‑组织性能参数的函数 形式输入。 10.根据权利要求7所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法， 其特征 在于， 在步骤S72中， 网格划分采用Hypermesh软件， 划分的方法包括自由网格划分、 自适应 网格划分、 特 征结构偏移、 渗层网格分段控制、 网格映射。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115200492 A 3